120W 适配器的研发
2005-09-07 08:57:01
来源：《国际电子变压器》第9期
1引言
电子技术的发展，使电子产品的效率越来越高，体积越来越小。如显示器由传统的CRT显示器改用LCD显示器，其重量尺寸均明显地缩小；尤其随着个人电脑和笔记本电脑的大量应用，对电源的要求也越来越高，市场上大量使用的60W Adapter己不能满足PIV CPU的供电要求，为此必须提高电源的输出功率。现介绍一款我公司专为PIV CPU笔记本电脑应用的120WAdapter开关电源，期望与同行进行交流，以期提高Adapter的整体性能。
2方案的选择
大家知道笔记本电脑是随身携带的电子产品，其流动性很大，要求其配置的电源产品体积小，效率高、重量轻，输入电压符合全电压范围，符合空载低能耗(<1W)、国际各相关安规及EMI电磁兼容等要求。
2.1APFC方案的选择
实现APFC（Active Power Factor Correction）的方法有多种，有硬开关方式与软开关方式，一般多用 Boost电路如图1，其中，M为乘法器，CA与VA分别为电流与电压放大器。
我们知道采用硬开关工作方式的Boost电路，在开关频率很高时，其开关损耗增大，电源效率降低，而采用软开关方式的Boost电路，在电源的效率上有所提高，但也带来了结构的复杂，器件的增加，成本的上升，其与硬开关的Boost相比约提高了2％的效率，因120W系列的Adapter其市场使用相当广泛，所以其对成本的控制相当严苛，故而我们仍采用了硬开关Boost方式，但对传统的硬开关Boost工作方式作了改进。
一般硬开关Boost方式其输出电压控制在380V～400VDC左右，若按输出电压为400V，则在输入为ACll0V(以下简称为低端)时效率约为92％左右，在输入为AC220V(以下简称高端)时效率约为95％左右。这样的话在低端时其功耗加大，发热增加，对电源的可靠性带来一定的影响，为此我们改电路为阶跃式Boost电路，设法将APFC的输出电压在低端时设定为220VDC左右，在高端时输出电压设定为390V左右，并让其自动转换。这样则可在低端时将效率提升约2％。原理框图如图2所示(我们称为阶跃式Boost电路)。
由图2可知，该阶跃式Boost电路与传统硬开关电路比较，多了一个前取样电路，原理叙述如下：在低端时通过设定输出取样反馈电阻，使输出电压为DC220V左右(此时前取样电路不工作)，要得到同样的输出功率，TR的工作时间必须加长(与图1相比)，则使效率得以提升；在高端时，前取样电路工作，与原取样反馈网络叠加，使输出电压稳定在DC400V左右。
2.2 PWM拓扑的选择
能实现输出功率为120W的拓扑方案很多，如反激式、正激式、半桥式、全桥式等，如采用反激式方案，则变压器的体积太大，EMI难处理；若采用半桥式方案则需要增加一颗大电解电容器；若采用全桥式方案，则又多增加2颗MOSFET，成本上升较多。综合考虑以上拓扑性能，且考虑了体积、成本、EMI等因素，为充分利用磁材，降低磁复位损耗，我们采用了双晶体管正激式方案避免了反激式变压器体积大的缺点，半桥式有需增加一颗大电解电容器的缺点，全桥式增加2颗MOSFET的缺点；双晶体管正激式采用2颗MOSFET，MOSFET的耐压可降低，且变压器的去磁性较理想，变换效率相对较高，且能为今后150W、180W、200W等功率向上延伸作准备。
3采用同步整流技术
大家知道，同步整流技术现已发展成熟并被广泛使用，尤其在低压输出上用的比较多，如5V输出，3.3V输出，2.5V输出等。一般100V的SCHOOTKY其正向压降为0.7V左右，而采用MOSFET的话，则100V的MOSFET其正向压降只有0.12V左右。当输出电流相同时，如输出电流为5A时，则采用同步整流技术比SCHOOTKY效率可提高约3％～5％；如输出电流更大时，则效率的提升就更加明显。
实现同步整流技术一般有两种方法，一是采用自驱动方式，二是采用专用控制IC方式。自驱动方式虽然有节省器材，方便等好处，但是开关变换器在低端与高端时栅极驱动电压VG不是常数，与占空比D及输入电压有关，当占空比D及输入电压变化范围较广时，VG或太大，或太小，使同步整流损耗增大。
我们采用专用IC控制的方式(外驱动方式)，即采用专门为同步整流技术开发的SD7559，且为了防止二次侧同步整流回流损坏MOSFET，专门在回流MOSFET上并联了相应的SCHOOTKY。该方法安全可靠，效率提升明显，满足了工程设计安全的要求。
4无载功耗小于1W的实现
现在世界上都在进行绿色环保的宣传，同样电源也需要环保、节能。据有关报导，现在国内许多彩电、个人电脑的待机功耗均大于3W。若以全国拥有量为5000万台计算则其待机损耗相当巨大，能源浪费相当惊人，几乎相当于300万千瓦发电机在白白运转。因此欧洲等国规定输出功率大于60W的电源产品其待机功耗必须小于1W；日本在小功率电源上(如15W等)，要求其待机功耗更为严格，已要求小于100mW，因此待机功耗小于1W必须实现。
降低待机功耗主要有3种方法，其一，降低变换器工作频率；其二，选用低功耗器件；其三，关闭辅助电路的供电电源。我们在开发120W Adapter时以上三种方法都采用了，原理框图如图3所示。
PWM变换器开关频率的提高能使变压器、电感尺寸变小，输出电容值变小，但MOSFET的开关损耗增加，MOSFET的损耗基本有三部分组成：一是导通损耗；二是驱动损耗；三是开关损耗。MOSFET的驱动损耗和开关损耗均随开关频率提高而直线上升。综合各种因素来考虑，我们选择66kHz为PWM变换器的主频；当输出无载时，通过反馈取样网络使PWM的主频降低为20kHz左右，可大幅度降低MOSFET的驱动与开关损耗；同时输出无载时通过反馈取样网络关闭PFC控制IC的电源使PFC变换器停止工作，并关闭同步整流MOSFET控制IC的电源，使同步整流MOSFET只有晶体二极管工作，满足无载待机时输出电压稳定的目的。结合以上三种方法的使用，顺利实现无载待机功耗小于1W的目的。
5设计实例及结果
根据前述，设计高效率，高功率因数，小体积，低待机功耗的120W Adapter开关电源，PFC采用TI公司的UCC38050控制IC。该IC起动电压为13.5V为Bi-CMOS工艺设计，低功耗，功能强大、价格适中(具体引脚功能不一一介绍)；PWM控制IC采用LTl241最大占空比为50％适合双晶体管正激式电路；PFC电感与PWM变换器的变压器均采用PQ3225；PFC与PWM功率MOSFET均采用Sr公司20NM50(TO-220)，同步整流采用VISHAY公司的SUD85N15。在AC90～264V时，频率47～63Hz实现高效率变换。实测低端效率为89.52％；高端效率为91.2%；待机功耗低端为0.35W，高端为0.65W，具有恒流保护，短路保护，过压保护及热保护功能；电磁干扰性符合FCC CLSPR CLASS-B级要求。该产品现已定型批量生产。整机原理框图如图4所示。
6结论
通过分析比较，电源适配器类产品量大，价格低廉，可靠性要求高，体积小，待机功耗低，安全，低EMI，低电网谐波等要求极高，只有选择好合适的线路拓扑，施以必要的技术措施才能满足市场的要求。本文主要介绍了设计方案的思路，想起到抛砖引玉的作用，希望广大同行如有更好的方案一起探讨。
(本文转载于《电源技术学报》2005年第3卷，第2期。)
电子技术的发展，使电子产品的效率越来越高，体积越来越小。如显示器由传统的CRT显示器改用LCD显示器，其重量尺寸均明显地缩小；尤其随着个人电脑和笔记本电脑的大量应用，对电源的要求也越来越高，市场上大量使用的60W Adapter己不能满足PIV CPU的供电要求，为此必须提高电源的输出功率。现介绍一款我公司专为PIV CPU笔记本电脑应用的120WAdapter开关电源，期望与同行进行交流，以期提高Adapter的整体性能。
2方案的选择
大家知道笔记本电脑是随身携带的电子产品，其流动性很大，要求其配置的电源产品体积小，效率高、重量轻，输入电压符合全电压范围，符合空载低能耗(<1W)、国际各相关安规及EMI电磁兼容等要求。
2.1APFC方案的选择
实现APFC（Active Power Factor Correction）的方法有多种，有硬开关方式与软开关方式，一般多用 Boost电路如图1，其中，M为乘法器，CA与VA分别为电流与电压放大器。
我们知道采用硬开关工作方式的Boost电路，在开关频率很高时，其开关损耗增大，电源效率降低，而采用软开关方式的Boost电路，在电源的效率上有所提高，但也带来了结构的复杂，器件的增加，成本的上升，其与硬开关的Boost相比约提高了2％的效率，因120W系列的Adapter其市场使用相当广泛，所以其对成本的控制相当严苛，故而我们仍采用了硬开关Boost方式，但对传统的硬开关Boost工作方式作了改进。
一般硬开关Boost方式其输出电压控制在380V～400VDC左右，若按输出电压为400V，则在输入为ACll0V(以下简称为低端)时效率约为92％左右，在输入为AC220V(以下简称高端)时效率约为95％左右。这样的话在低端时其功耗加大，发热增加，对电源的可靠性带来一定的影响，为此我们改电路为阶跃式Boost电路，设法将APFC的输出电压在低端时设定为220VDC左右，在高端时输出电压设定为390V左右，并让其自动转换。这样则可在低端时将效率提升约2％。原理框图如图2所示(我们称为阶跃式Boost电路)。
由图2可知，该阶跃式Boost电路与传统硬开关电路比较，多了一个前取样电路，原理叙述如下：在低端时通过设定输出取样反馈电阻，使输出电压为DC220V左右(此时前取样电路不工作)，要得到同样的输出功率，TR的工作时间必须加长(与图1相比)，则使效率得以提升；在高端时，前取样电路工作，与原取样反馈网络叠加，使输出电压稳定在DC400V左右。
2.2 PWM拓扑的选择
能实现输出功率为120W的拓扑方案很多，如反激式、正激式、半桥式、全桥式等，如采用反激式方案，则变压器的体积太大，EMI难处理；若采用半桥式方案则需要增加一颗大电解电容器；若采用全桥式方案，则又多增加2颗MOSFET，成本上升较多。综合考虑以上拓扑性能，且考虑了体积、成本、EMI等因素，为充分利用磁材，降低磁复位损耗，我们采用了双晶体管正激式方案避免了反激式变压器体积大的缺点，半桥式有需增加一颗大电解电容器的缺点，全桥式增加2颗MOSFET的缺点；双晶体管正激式采用2颗MOSFET，MOSFET的耐压可降低，且变压器的去磁性较理想，变换效率相对较高，且能为今后150W、180W、200W等功率向上延伸作准备。
3采用同步整流技术
大家知道，同步整流技术现已发展成熟并被广泛使用，尤其在低压输出上用的比较多，如5V输出，3.3V输出，2.5V输出等。一般100V的SCHOOTKY其正向压降为0.7V左右，而采用MOSFET的话，则100V的MOSFET其正向压降只有0.12V左右。当输出电流相同时，如输出电流为5A时，则采用同步整流技术比SCHOOTKY效率可提高约3％～5％；如输出电流更大时，则效率的提升就更加明显。
实现同步整流技术一般有两种方法，一是采用自驱动方式，二是采用专用控制IC方式。自驱动方式虽然有节省器材，方便等好处，但是开关变换器在低端与高端时栅极驱动电压VG不是常数，与占空比D及输入电压有关，当占空比D及输入电压变化范围较广时，VG或太大，或太小，使同步整流损耗增大。
我们采用专用IC控制的方式(外驱动方式)，即采用专门为同步整流技术开发的SD7559，且为了防止二次侧同步整流回流损坏MOSFET，专门在回流MOSFET上并联了相应的SCHOOTKY。该方法安全可靠，效率提升明显，满足了工程设计安全的要求。
4无载功耗小于1W的实现
现在世界上都在进行绿色环保的宣传，同样电源也需要环保、节能。据有关报导，现在国内许多彩电、个人电脑的待机功耗均大于3W。若以全国拥有量为5000万台计算则其待机损耗相当巨大，能源浪费相当惊人，几乎相当于300万千瓦发电机在白白运转。因此欧洲等国规定输出功率大于60W的电源产品其待机功耗必须小于1W；日本在小功率电源上(如15W等)，要求其待机功耗更为严格，已要求小于100mW，因此待机功耗小于1W必须实现。
降低待机功耗主要有3种方法，其一，降低变换器工作频率；其二，选用低功耗器件；其三，关闭辅助电路的供电电源。我们在开发120W Adapter时以上三种方法都采用了，原理框图如图3所示。
PWM变换器开关频率的提高能使变压器、电感尺寸变小，输出电容值变小，但MOSFET的开关损耗增加，MOSFET的损耗基本有三部分组成：一是导通损耗；二是驱动损耗；三是开关损耗。MOSFET的驱动损耗和开关损耗均随开关频率提高而直线上升。综合各种因素来考虑，我们选择66kHz为PWM变换器的主频；当输出无载时，通过反馈取样网络使PWM的主频降低为20kHz左右，可大幅度降低MOSFET的驱动与开关损耗；同时输出无载时通过反馈取样网络关闭PFC控制IC的电源使PFC变换器停止工作，并关闭同步整流MOSFET控制IC的电源，使同步整流MOSFET只有晶体二极管工作，满足无载待机时输出电压稳定的目的。结合以上三种方法的使用，顺利实现无载待机功耗小于1W的目的。
5设计实例及结果
根据前述，设计高效率，高功率因数，小体积，低待机功耗的120W Adapter开关电源，PFC采用TI公司的UCC38050控制IC。该IC起动电压为13.5V为Bi-CMOS工艺设计，低功耗，功能强大、价格适中(具体引脚功能不一一介绍)；PWM控制IC采用LTl241最大占空比为50％适合双晶体管正激式电路；PFC电感与PWM变换器的变压器均采用PQ3225；PFC与PWM功率MOSFET均采用Sr公司20NM50(TO-220)，同步整流采用VISHAY公司的SUD85N15。在AC90～264V时，频率47～63Hz实现高效率变换。实测低端效率为89.52％；高端效率为91.2%；待机功耗低端为0.35W，高端为0.65W，具有恒流保护，短路保护，过压保护及热保护功能；电磁干扰性符合FCC CLSPR CLASS-B级要求。该产品现已定型批量生产。整机原理框图如图4所示。
6结论
通过分析比较，电源适配器类产品量大，价格低廉，可靠性要求高，体积小，待机功耗低，安全，低EMI，低电网谐波等要求极高，只有选择好合适的线路拓扑，施以必要的技术措施才能满足市场的要求。本文主要介绍了设计方案的思路，想起到抛砖引玉的作用，希望广大同行如有更好的方案一起探讨。
(本文转载于《电源技术学报》2005年第3卷，第2期。)
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